Atom- und Molekülspektren im extremen Magnetfeld von Weißen Zwergen werden berechenbar

Wenn Sterne ihre Energie verbraucht haben und sterben, werden sie in der Regel zu einem Weißen Zwerg. 10 bis 20 Prozent dieser Weißen Zwerge besitzen ein extrem starkes Magnetfeld, das bis zu 100.000 Tesla erreichen kann. Wie sich Atome und Moleküle in einem solchen Magnetfeld verhalten, ist bisher weitgehend unbekannt, besonders für die Astrophysik aber von großem Interesse.

Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben nun eine quantenchemische Methode entwickelt, um die Eigenschaften von Atomen und Molekülen in starken Magnetfeldern vorherzusagen. Anhand ihrer Berechnungen können sie theoretische Spektren erstellen, mit denen Astrophysiker die tatsächlich beobachteten Spektrallinien eines Weißen Zwergs vergleichen und analysieren können.

Starke Magnetfelder verändern die Elektronenstruktur von Atomen und Molekülen radikal. Weil aber solche starken Magnetfelder auf der Erde nicht erzeugt werden können, ist wenig darüber bekannt, wie sich Atome und Moleküle unter diesen Bedingungen tatsächlich verhalten, wie sie genau aufgebaut sind und welche Eigenschaften sie besitzen.

Insbesondere die Astrophysik interessiert sich für neue Daten auf diesem Gebiet, um die beobachteten elektromagnetischen Spektren von Weißen Zwergen zu interpretieren und damit Atome und Moleküle in ihrer Atmosphäre zu identifizieren. „Die Astrophysik benötigt theoretische Vorhersagen, weil sich die Spektren in einem Magnetfeld sehr stark verändern“, erklärt Dr. Stella Stopkowicz vom Institut für Physikalische Chemie der JGU.

Laborversuche können in solchen Fällen nicht herangezogen werden, weil selbst mit starken Magneten auf der Erde zerstörungsfrei höchstens 100 Tesla zu erreichen sind. Zum Beispiel ist das Magnetfeld der Erde etwa 60 Mikrotesla stark. Die Magnetresonanztomographie (MRT) zur medizinischen Bildgebung arbeitet mit Feldstärken zwischen 1,5 und 10 Tesla.

Theoretische Vorhersagen auch für elektronenreichere Atome und Moleküle

Bei nichtmagnetischen Weißen Zwergen konnten durch den Vergleich mit Laborergebnissen bereits verschiedene Atome und Moleküle identifiziert werden. Auch bei magnetischen Weißen Zwergen wurden bereits die Elemente Wasserstoff und Helium nachgewiesen. Die bislang für theoretische Vorhersagen verwendete quantenchemische Methode ist allerdings im Hinblick auf die Computerrechenzeit so teuer, dass sie für elektronenreichere Atome oder für Moleküle nicht praktikabel ist.

Von nichtmagnetischen Weißen Zwergen ist bekannt, dass auf ihnen auch andere Elemente wie Kohlenstoff, Silizium, Phosphor und Schwefel sowie vermutlich kleine Kohlenwasserstoffverbindungen vorkommen. Man weiß außerdem, dass Magnetfelder dazu tendieren, die Bindungsenergie von Molekülen zu erhöhen. Daher ist es wahrscheinlich, dass diese Atome und Moleküle auch bei magnetischen Weißen Zwergen zu finden sind.

Basis für entsprechende theoretische Vorhersagen ist die „Equation-of-Motion Coupled-Cluster“-Methode, die sich für den feldfreien Fall in quantenchemischen Berechnungen bewährt hat und die Florian Hampe und Stella Stopkowicz für die Behandlung von Atomen und Molekülen in einem Magnetfeld angepasst haben. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten, Grundlagenforschung für Atome und Moleküle in starken Magnetfeldern zu betreiben.

So wurde vor Kurzem eine völlig neue, dritte Form chemischer Bindungen – neben den beiden bekannten Formen der kovalenten Bindung und der Ionenbindung – entdeckt, die nur unter dem Einfluss eines starken Magnetfeldes auftritt und als „Perpendicular Paramagnetic Bonding“ bezeichnet wird. „Diese exotische Bindungsform konnte bisher auf der Erde nicht nachgewiesen werden, kann aber mit der neuen Methode genauer untersucht werden“, so Stopkowicz. „Wird ein Molekül in einem starken Magnetfeld stabiler oder wird es zerstört und welche Bindungen geht es ein? Es gibt dazu noch viele offene Fragen.“

Foto:
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/09_phys_chemie_magnetfeld.jpg
Aufnahme eines sterbenden Sterns durch das Hubble-Weltraumteleskop: Während der Stern abkühlt und schrumpft, um dann ein Weißer Zwerg zu werden, stößt er seine Gashülle ab, die einige hunderttausend Jahre lang als planetarischer Nebel zu sehen ist.
Foto/©: NASA

Veröffentlichung:
Florian Hampe, Stella Stopkowicz
Equation-of-motion coupled-cluster methods for atoms and molecules in strong magnetic fields
The Journal of Chemical Physics, 18. April 2017
DOI: 10.1063/1.4979624

Weitere Information:
Dr. Stella Stopkowicz
Arbeitsgruppe Theoretische Chemie
Institut für Physikalische Chemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-22706
Fax +49 6131 39-23895
E-Mail: stella.stopkowicz@uni-mainz.de
http://www.tc.uni-mainz.de/eng/304.php

Weitere Links:
http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4979624 (Article)
https://publishing.aip.org/publishing/journal-highlights/new-method-can-model-ch…